МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ДОСТАВКИ ВАНТАЖУ НА ВЕЛИКІ ВІДСТАНІ ЗА ДОПОМОГОЮ СВІТЛОВИХ ВІТРИЛ

Анотація

У статті досліджено перспективність використання технології світлових вітрил для доставки вантажів та супутників на великі відстані у космічному просторі. Розглянуто фізичні принципи дії світлового та лазерного вітрила, засновані на тиску світла, що створюється потоком фотонів. Проведено аналіз сучасного стану розробок у цій галузі, включаючи реальні місії (NASA Cosmos-1, LightSail, JAXA IKAROS), а також вивчено технічні та економічні виклики впровадження цієї технології в практичні космічні місії. Метою дослідження є математичне моделювання процесу розгону супутника за допомогою фотонноів, визначення основних обмежень та шляхів підвищення ефективності світлових вітрил. У роботі розглянуто особливості конструкції вітрил та матеріали для їх виготовлення (поліамід, графенові та металізовані покриття), а також способи зниження їх маси без втрати відбивної здатності. Наведено математичні залежності для визначення тиску світла, тяги, прискорення апарата, часу та енерговитрат для досягнення швидкості 0,1c. Показано, що при сумарній лазерній потужності 100 МВт супутник масою 2 кг може досягти цієї швидкості приблизно за 1045 діб, а необхідна енергія становить ≈2,5 ТВт·год. Окрема увага приділена економічним аспектам проєкту: вартості енергоспоживання, будівництва лазерних установок, доцільності запуску малих супутників (наносупутників) замість великих апаратів. Розглянуто варіанти гальмування міжзоряного апарата та можливість створення систем дзеркал для відбиття лазерного променю з протилежного боку траєкторії. Проаналізовано потенційні ризики, пов’язані з пилом та мікрометеоритами у космосі, та запропоновано альтернативні рішення захисту апарата, зокрема використання розсіювальних лінз замість броні. Також наведено концепцію використання тепла від лазерного випромінювання для живлення іонних двигунів, що можуть виконувати корекцію траєкторії. У дослідженні зроблено висновок, що технологія світлових вітрил може стати основою для створення міжпланетних та міжзоряних транспортних систем. За умови масштабної підтримки, розвитку лазерної інфраструктури та матеріалознавства, можливим стає формування космічних світлових магістралей для перевезення вантажів та наукових місій. Технологія поєднує екологічність, низьку витратність палива та високий потенціал швидкостей, що робить її одним із найперспективніших напрямів сучасної космічної логістики.